第八章 原核细胞的基因表达调控第八章 原核细胞的基因表达调控第一节 基因表达调控概述 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分化、形态发生和个体发育的分子基础。

一．原核生物基因表达调控的特点 由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以操纵子为单位进行。

二 . 操纵子调控模型是 1961 年由 Jacob 和 Monod 提案并确立，即编码

某特定区域的基因与只在 DNA 分子上发挥作用的区域是各不相

同的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。

( 一 ) 概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇，由此而形成的转录单位，即为操纵子。

( 二 ) 主要组成

1.结构基因（ structural gene ） : 生物酶与细胞结构所必需的蛋白质的编码基因，该基因又称为 cis 作用因子（ cis –acting ）。相关结构基因的表达产物协同完成一个生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括结构蛋白、酶和调控蛋白

2. 调控基因（ regulator gene ） : 基因表达调控蛋白的编码基

因，又称为反式作用因子（ trans –acting ）。主要是通过编码

蛋白或者 RNA 来调节其他基因的表达。

三 . 原核细胞转录调控的基本模式

顺式作用元件 反式作用因子

引起目的基因表达的正调控或者负调控模式

反式作用 : 编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的过程。顺式作用 : 不转变为其他任何形式而只以 DNA 形式在原来位置起作用的 DNA 序列。

调节区域启动子

转录起始点 结构基因

Operator/ promotor

RNA

几个相应的蛋白质

Repressor binding with operator

RNA polymerase

负调控 : 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达的目的，称为负调控。

正调控 : 某一基因编码的产物作用于自己基因的调控元件 , 以达到控制其表达的目的 , 称为正调控。

tayz op

Structural gene

Promoter

Operator

Terminator

功能

启动子 : 一个操纵子一般只含有一个启动子操作子 : 由一个或多个 DNA 顺式调控元件组成，

是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白 -DNA的二元复合物通过与启动子 -RNA 聚合酶复合物的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控结构基因 : 若干个生物功能相关的结构基因以相同极性密集排列

终止子 : 使转录不同程度地终止

阻遏基因I

阻遏基因I

调控区

启动子操作子

DNAZ Y AOP

结构基因

Z： β-半乳糖苷酶

Y： 通透酶

A：乙酰基转移酶

第二节 乳糖操纵子（一） 结构及其性质

lacI lacZ lacY lacA

Z Y AOPPDNA

mRNA

1040 82 3510 780 825

多肽 360 1021 260 275 氨基酸38000 1250003000030000Dalton

蛋白质 四聚体 四聚体 二聚体膜蛋白 结构152000 5000003000060000 Dalt

on功能 阻遏蛋白 β- 半乳糖苷酶

(( 二二 ) ) 调控机理调控机理

阻遏蛋白单聚体

阻遏蛋白四聚体

lacI 启动子 /操作子

lacZ lacY lacA

转录

翻译

无诱导物

结构基因被阻遏

诱导物

无活阻遏蛋白

有诱导物

RNA 聚合酶转录

翻译

转录mRNA

翻译

( 三 ) 操纵基因的鉴定 不可诱导型突变不可诱导型突变 (uninducible mutation): (uninducible mutation): 使操纵子在使操纵子在任何情况下都不能表达的突变。任何情况下都不能表达的突变。 组成型突变体组成型突变体 (consititutive mutant): (consititutive mutant): 不受调控物影不受调控物影响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组成型突变体。成型突变体。 组成型突变鉴定出的操纵基因组成型突变鉴定出的操纵基因 OOCC 表明调控元件能表明调控元件能够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用因子对其因子对其 DNADNA 序列的识别。操纵基因对邻近基因的控序列的识别。操纵基因对邻近基因的控制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点的突变称为顺式显性突变的突变称为顺式显性突变 ((ciscis-dominant-dominant))

( 四 ) 调控基因的鉴定 lacIlacI 基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所有结构基因簇的表达有结构基因簇的表达 使使 lacIlacI 基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表

达达 因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的 DNADNA 结结

合合位点的突变是组成型的位点的突变是组成型的 阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这会引起操纵子的非诱导性会引起操纵子的非诱导性 启动子突变是顺式作用和非诱导性的启动子突变是顺式作用和非诱导性的

ACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT

TGTTGTGTGGAATTGAGAGCGGATAACAATTTCACACA

对称轴

－ 10 － 5 ＋ 1 ＋ 5 ＋ 10 ＋ 15 ＋ 20 ＋ 25

( 五 ) 阻遏蛋白与操纵基因的相互作用

mRNA

( 六 ) 阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离

( 七 ) 阻遏蛋白的其他特性 阻遏蛋白单体有多个结构域

阻遏蛋白单体结构 :N 端 DNA结合结构域、铰链区与核心区❀DNA 结合结构域有两个短 α螺旋用以与 DNA 大沟结合❀负责多聚化的区域和诱导物结合位点都位于核心区

阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体

两个单体通过核心结构域 2 和寡聚化螺旋之间的结合形成二聚体，二聚体的一端是 DNA结构域，另一端是寡聚化螺旋，两个二聚体通过寡聚化界面之间的相互作用形成四聚体

☞阻遏蛋白单体的 DNA 结合结构域插入到 DNA 的大沟☞ 活性阻遏蛋白中，二聚体的两个 DNA 结合区域可以插入连续的双螺旋转角☞诱导物的结合使阻遏蛋白的构象改变，从而造成 DNA 结合位点不能形成正确的几何构象以维持与 DNA 的接触

第三节 操纵子的调控网络模式

一 . 概述1. 细菌基因调控 : 基因表达受到调控因子的控制，该调

控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。

❀表达水平上的调控 : 以 DNA 为 target 的转录水平上的调控与以 RNA 为 target 的翻译水平上的调控

2. 调控因子的类型a. 蛋白质类调控因子 : 通过变构效应 (allostery) 发挥作

用b. RNA 调控因子 : 通过改变二级结构发挥作用。调控因

子通常是二级结构丰富的小 RNA 分子，但存在一段单链区域能与 target 互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。

操纵子

可诱导

可阻遏

负调控

正调控负调控

正调控

二 . 分类

灭活阻遏蛋白阻遏蛋白

诱导物

阻遏 诱导

诱导负调控

灭活激活蛋白

激活激活蛋白

诱导正调控

三 . 调控模式

辅阻遏物

灭活阻遏蛋白 激活阻遏蛋白

诱导 阻遏

阻遏负调控

灭活激活蛋白

激活激活蛋白

阻遏正调控

四四 . . 大肠杆菌的碳源利用机制大肠杆菌的碳源利用机制1. 1. 葡萄糖阻遏作用调控碳源利用葡萄糖阻遏作用调控碳源利用a.a. 诱导物排除法诱导物排除法 : : 葡萄糖阻止从培养基中吸收其他葡萄糖阻止从培养基中吸收其他

可替代碳源的能力。可替代碳源的能力。b.b. 由由 CRPCRP激活很多操纵子激活很多操纵子

22.. 乳糖操纵子的正调控作用

① ① 正调控因子正调控因子 : : 辅助辅助 RNARNA 聚合酶与启动子结合而聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。起始转录的蛋白质。 葡萄糖

活性 CRP

？

无活 CRP

cAMP

② CRP结构及其作用 a. CRP因子是一同源二聚体 , 每个亚基为 22.5kDa ，可被单分子 cAMP激活，在应答启动子上， CRP 二聚体约结合 22bp ，其中含有一对保守的五聚体对称序列，是 CRP的识别位点，且具有双向性。

b. 每个 CRP亚基均含有一个 DNA 结合区与一个转录激活区，其中结合区的定位因操纵子而异。

A A N T G T G A N N T N N N T C A N A T T N NT T N A C A C T N N A N N N A G T N T A A N N

高度保守五聚体 低度保守五聚体

转录

③ ③ CCRRPP 的激活途径的激活途径

a. 直接与 RNA聚合酶作用， RNA聚合酶的 α 亚基是 CRP的结合区。b. 作用于 DNA ，改变其结构以协助 RNA 聚合酶定位于启动子上。

CRP 与 RNA 聚合酶之间的相互作用的精确效应依赖于CRP 相对启动子区域的定位，对乳糖操纵子而言， CRP 的优势效应是提高 RNA 聚合酶与启动子形成复合物的启动效率。

第四节 各种操纵子调控系统第四节 各种操纵子调控系统

gal K gal T gal E P O gal RmRNA

Pgal 1Pgal 2 OE OI

GalC激酶

Gal-1-P转移酶

UDP-Gal+Glu-1-P

UDP-Glc异构酶

gal mRNA

特征 : 有两套调控元件

一 . 半乳糖操纵子(一 )结构及其性质

( 二 ) 调控机制

Glu

环境

cAMP

细胞内

CRP 结合型 CRP

Pgal 1 Pgal 2

启动 关闭

Glu cAMPCAP

CRP cAMP＋

失活 open

二二 . . 阿拉伯糖操纵子( 一 ) 结构与性质

调控子

ara BAD

ara E

ara FG

调控基因ara C

定位于细菌膜上，与阿拉伯糖运输有关。

L- 核酮糖激酶

L- 阿拉伯糖异构酶

L- 核酮糖 -5- 磷酸 -4- 异构酶

( 二 ) 阿拉伯糖调控系统的组成

①ara C 基因的调控②ara BAD 基因的转录③两基因区间的共享调控区

ara O2 ara O1

Para C CRP 结合位点

ara I

Para BAD

C 蛋白结合位点

ara C mRNA ara BAD mRNA

148 nt

( 三 ) 调控机制

ara O2 ara O1 ara I

C 蛋白存在时

ara C mRNARNA 聚合酶

阿拉伯糖 -AraC

激活

ara C ， AraC or binding Arac

ara O1 ara C 表达被阻遏

三三 . . 色氨酸操纵子色氨酸操纵子

POtrp L a trp E trp D trp Ctrp Btrp A t t ’

trp Etrp D

trp C

trp B

trp A

邻氨基苯甲酸合成酶两个亚基

吲哚甘油酸合成酶

色氨酸合成酶两个亚基

第五节 紧急应答系统第五节 紧急应答系统

一一 . . 概念概念stringent response: 当维持细菌的蛋白合成所需

的氨基酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从

而使其各项生理活动的现象。二 . 产生现象

a.rRNA 与 tRNA 的合成极度减少b.全部 RNA 的合成是正常的 5%-10%c.全 mRNA 的合成减少为正常的 1/3d.蛋白质的分解速度上升e.核苷、碳水化合物与脂质的合成减少

ppGpp pppGpp

Aminoacyl-tRNA

Ribosome idling reaction

启动子开始的阻碍因子模板的伸长反应受阻

三三 . ppGpp. ppGpp 的作用的作用a.a. 在编码在编码 rRNArRNA 的操纵子中，启动子上转录起始被的操纵子中，启动子上转录起始被

特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列发生相互作用发生相互作用

b.b. ppGPPppGPP 能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，原因可能是由原因可能是由 ppGppppGpp 引起的不断增高的引起的不断增高的 RNARNA聚合酶的暂停反应。聚合酶的暂停反应。